劉繪龍，田 磊，孫文森，秦 勉，陳若夢，吳 艷，王春雨，劉彥普，劉亞雄，5

(1.鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)3D打印中心，河南 鄭州 450052)(2.空軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院口腔頜面外科，陜西 西安 710032)(3.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西 西安710049)(4.唐山學(xué)院 河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計及過程仿真重點實驗室，河北 唐山 063000)(5.季華實驗室，廣東 佛山 528200)

1 前 言

由創(chuàng)傷、疾病、先天畸形等引起的骨缺損是世界范圍內(nèi)一個具有重大挑戰(zhàn)性的臨床問題[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，在美國和歐洲，每年約有50萬名患者面臨著骨缺損修復(fù)的問題，預(yù)估費用超過30億美元[4，5]；在全世界范圍內(nèi)，每年有超過220萬例骨缺損(如骨科、神經(jīng)外科和口腔科等)需要進(jìn)行骨移植手術(shù)[6-9]。因此，開發(fā)出理想的骨骼替代物以滿足臨床骨缺損修復(fù)的任務(wù)迫在眉睫[10，11]。

理想的骨植入物(骨替代物)材料應(yīng)具有良好的生物相容性、生物可降解性、骨傳導(dǎo)性、成骨性和骨誘導(dǎo)性等，且機(jī)械強度和彈性模量應(yīng)與人體自然骨接近[12-14]。目前常用的骨替代物材料有鈦合金、不銹鋼、氧化鋯、生物陶瓷和高分子聚合物等[15]。然而，金屬材料的彈性模量往往是人體自然骨的數(shù)十倍，會產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象，導(dǎo)致植入物松動和骨萎縮[16，17]。此外，有些金屬植入物在人體環(huán)境內(nèi)可能會向周圍組織釋放出對人體有害的金屬離子[18]。陶瓷材料典型的脆性和低韌性限制了它們在骨替代物領(lǐng)域的應(yīng)用[19]。

聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)以其較高的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性和生物相容性而聞名，受到越來越多生物醫(yī)學(xué)及生物材料領(lǐng)域科研人員的關(guān)注[20-23]。

針對作者課題組提出的利用光固化3D打印樹脂模具注塑成型PEEK植入物的工藝方法，作者課題組已發(fā)表了工藝探索和成型精度方面2篇論文[11，24]，結(jié)果表明，采用該工藝方法制造具有良好的綜合力學(xué)性能的個性化PEEK植入物是可行的，而且光固化3D打印樹脂模芯在極端注塑條件下仍具有良好的保形能力，完全可以注塑高熔點 PEEK 植入物，其成型精度可以通過設(shè)計模型的縮放補償來保證。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步對PEEK下頜骨植入物裝配安全性進(jìn)行評估，對PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物進(jìn)行體外細(xì)胞毒性實驗，最后對PEEK注塑成型下頜骨進(jìn)行初步臨床應(yīng)用研究。

2 PEEK下頜骨植入物裝配安全性評估

與鈦合金植入物相比，PEEK植入物主體部分與殘余骨骼相連接的連接板強度往往較弱，在緊固過程中可能發(fā)生應(yīng)力集中甚至破裂，因此需要對連接板受力變形進(jìn)行實驗研究。

在體外模擬安裝PEEK下頜骨假體過程中，發(fā)現(xiàn)PEEK假體與自體骨接觸存在一定的縫隙，形成假體與骨骼的懸空接觸固定，需要鈦合金螺釘壓迫PEEK假體變形，以達(dá)到假體與自體骨貼合固定。此處需要測量PEEK下頜骨假體的韌性和抗彎性能，防止螺釘壓迫變形導(dǎo)致PEEK假體開裂。

骨骼表面一般為光滑圓弧狀，所以骨骼和假體的接觸一般為2個圓弧狀的匹配，存在如圖1所示的3種接觸類型(剖面下部為人體骨骼，上部為下頜骨假體)。第1種為邊緣接觸、內(nèi)部架空的接觸，后期通過螺釘壓緊極易形成內(nèi)應(yīng)力并導(dǎo)致植入物的破裂；第2種為完全接觸，這種在理論上很難實現(xiàn)，但在誤差不大的情況下，實際接觸效果最好；第3種為中心接觸，螺釘壓緊不會導(dǎo)致植入物的內(nèi)應(yīng)力，但接觸面積小于第2種，且接觸有縫隙。此處主要分析第1種這種具有破壞性的連接方式下PEEK假體受力及變形情況。

圖1 植入物與骨骼的接觸情形

2.1 實驗設(shè)計

PEEK下頜骨假體是個體化定制設(shè)計的，因此沒有固定的尺寸特征。一般將假體固定端類比為弧狀薄殼結(jié)構(gòu)，然后測量獲得弧狀薄殼結(jié)構(gòu)的厚度、寬度和弧度。測量本研究所制造的PEEK下頜骨假體可得到：下頜骨假體的固定端厚度為2.05 mm，寬度為13.43 mm，弧度半徑為 7.59 mm。

設(shè)計如圖2的結(jié)構(gòu)模擬PEEK假體與人體骨骼的裝配關(guān)系。根據(jù)以上實際尺寸參數(shù)，裝配實驗的結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)包括：薄殼厚度b、接觸前最大垂直高度h、接觸連接的跨距L。設(shè)計并制備9組(每組3個樣件)不同尺寸參數(shù)的薄殼結(jié)構(gòu)，PEEK弧狀薄殼結(jié)構(gòu)與底面的接觸連接跨距L均為13 mm；薄壁厚度b分別為1，2，3 mm；兩接觸面接觸前最大垂直高度h分別為2.3，3.2，3.7 mm。對這些樣件分別進(jìn)行強制壓迫連接實驗，統(tǒng)計最終薄殼結(jié)構(gòu)破裂的結(jié)果。

圖2 壓彎實驗的模型設(shè)計

2.2 實驗過程

使用高分子模芯注塑獲得PEEK弧狀薄殼樣件。手術(shù)中使用直徑為1.8 mm的鈦合金螺釘連接PEEK假體與骨骼，在制造的PEEK薄殼樣件中部鉆取直徑為2 mm安裝孔。

實驗選用M2螺栓連接，螺栓壓迫PEEK薄殼樣件與金屬底面貼合。安全指的是在M2螺栓擰緊過程中未出現(xiàn)破裂的情況。在實驗中若M2螺栓在壓迫擰緊過程中出現(xiàn)滑絲等現(xiàn)象，無法提供足夠的壓緊力，換用臺虎鉗提供壓迫力，直到樣件出現(xiàn)破壞，該情況仍視為安全，其僅用于研究此類厚壁樣件的破壞形式及類型。PEEK薄殼結(jié)構(gòu)部分樣件壓彎前如圖3所示，PEEK薄殼結(jié)構(gòu)部分樣件壓彎后如4所示。

圖3 PEEK薄殼部分樣件壓彎前宏觀照片

圖4 PEEK薄殼部分樣件壓彎后宏觀照片

2.3 實驗結(jié)果分析

圖5統(tǒng)計了不同厚度和不同接觸前最大垂直高度的PEEK薄殼樣件經(jīng)過壓彎連接實驗后的破裂程度。

圖5 PEEK薄殼壓彎連接實驗的結(jié)果統(tǒng)計

在實驗中發(fā)現(xiàn)部分2 mm厚度及全部3 mm厚度的PEEK樣件無法通過M2螺栓壓緊破壞，需借用臺虎鉗提供壓力進(jìn)行壓緊。接觸前最大垂直高度為3.7 mm的樣件易發(fā)生彎曲斷裂破壞。相同的接觸前最大垂直高度，2 mm厚度PEEK薄殼樣件彎曲安全系數(shù)高于1 mm厚度的PEEK薄殼樣件。觀察破損PEEK樣件可以看出，1 mm厚度的PEEK薄殼強度不高，易引起撕裂破損。由圖5統(tǒng)計結(jié)果可知，在設(shè)計PEEK假體時厚度應(yīng)不小于2 mm，而3 mm及以上厚度的PEEK殼狀樣件強度較高，在螺栓固定過程中不易破壞。因此，在PEEK下頜骨假體的設(shè)計和裝配中，保證PEEK下頜骨假體固定端最小厚度高于2 mm，假體大部分厚度處于3 mm及以上范圍，裝配間隙在0.2 mm以內(nèi)，通過螺栓固定壓緊就不會造成PEEK假體固定過程中的破壞。

付軍科認(rèn)為，ERAS不僅僅是一項技術(shù)，更多的是一種理念的更新，其核心就是圍繞患者圍手術(shù)期的加速康復(fù)采取一系列優(yōu)化措施。“這和國家講的時刻為患者利益考慮，讓患者獲得優(yōu)質(zhì)醫(yī)療服務(wù)的理念是高度契合的?！备盾娍普f，本著這樣的核心理念，以患者為中心，想辦法預(yù)防一些并發(fā)癥的發(fā)生，就會自然啟動ERAS的各個程序，伴隨而來的便是醫(yī)療質(zhì)量的提升及對精細(xì)化醫(yī)療管理的踐行。

圖6為根據(jù)實際情況繪制的加壓接觸時破裂試樣示意圖，破裂位置均從螺紋孔中心穿過，且弧狀薄殼結(jié)構(gòu)的厚度越大，其內(nèi)側(cè)的彎曲應(yīng)力越大，屬于典型的彎曲破壞。隨著PEEK試樣的厚度增加，加壓后試樣的狀態(tài)由屈服變?yōu)閿嗔选?/p>

3 PEEK植入物細(xì)胞毒性實驗

3.1 實驗方法

采用體外細(xì)胞毒性實驗對原材料和注塑成型植入物進(jìn)行檢測。

首先將L929小鼠成纖維細(xì)胞加入到96孔板中，保持恒定的溫度和二氧化碳濃度培養(yǎng)24 h使細(xì)胞處于對數(shù)生長速度階段，然后分別向其中加入PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物的浸提液，孵育24 h，最后通過細(xì)胞形態(tài)學(xué)和細(xì)胞生長能力進(jìn)行評價，與對照組細(xì)胞進(jìn)行比較，評價各個濃度PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物材料浸提液的細(xì)胞毒性。細(xì)胞形態(tài)學(xué)評價相對比較初淺，作為輔助方法。細(xì)胞生長能力評價通過CCK-8試劑盒檢測完成。

3.2 實驗步驟

(1)孵育細(xì)胞：制備細(xì)胞懸液，調(diào)整細(xì)胞密度為1×105cells/mL。向96孔板的每個孔中加入100 μL培養(yǎng)基，再向其中加入100 μL細(xì)胞懸液，相當(dāng)于每孔104個細(xì)胞。孵育24 h在孔板形成半融合單層，在倒置相差顯微鏡DMIRBHC下檢查培養(yǎng)板各孔細(xì)胞增長是否相對相等。

(2)加入浸提液孵育：浸提液是由供試品按照0.1 g/mL的比例浸于培養(yǎng)基中放置24 h得到100%浸提原液，接著用培養(yǎng)基進(jìn)行稀釋，分別制備75%浸提液、50%浸提液和25%浸提液。向每孔加入100 μL系列濃度的浸提液、陰性對照組、陽性對照組、空白組(表1)，

表1 樣品編號及浸提液制備

再孵育24 h。其中，陰性對照組為高密度聚乙烯浸提液，陽性對照組為含0.64%苯酚的培養(yǎng)液，空白對照組為含5%胎牛血清的新鮮培養(yǎng)液。

(3)移除培養(yǎng)基，在每孔加入100 μL新鮮培養(yǎng)液和 10 μL CCK8溶液，將培養(yǎng)板在培養(yǎng)箱內(nèi)孵育3 h，用酶標(biāo)儀測定培養(yǎng)板實驗樣品在450 nm處的吸光度，計算得到細(xì)胞存活率。

3.3 實驗結(jié)果與評價

(1)形態(tài)學(xué)觀察：用浸提液培養(yǎng)24 h后，使用相差顯微鏡觀察對照組、實驗組中細(xì)胞的生長特性，由于實驗組較多，僅選取A1組、B4組、陰性對照組 、陽性對照組及空白對照組進(jìn)行展示。細(xì)胞形態(tài)照片見圖7～9。從圖7和圖8可以看出：無論是PEEK原材料浸提液還是PEEK注塑成型植入物的浸提液培養(yǎng)的細(xì)胞，均增殖明顯，細(xì)胞輪廓清晰。圖9b顯示，陽性對照組中細(xì)胞邊緣毛糙，生長狀態(tài)不佳，無細(xì)胞活性，可見受到苯酚培養(yǎng)液的毒性破壞。

圖7 在不同濃度PEEK原材料浸提液(A1)培養(yǎng)后的細(xì)胞形態(tài)

圖8 在不同濃度PEEK注塑成型植入物浸提液(B4)培養(yǎng)后的細(xì)胞形態(tài)

圖9 對照組中細(xì)胞形態(tài)

(2)細(xì)胞生長能力評價：實驗并計算得到在各濃度PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物材料的浸提液培養(yǎng)后的細(xì)胞存活率，列于表2。從表2可以看出，在PEEK原材料和注塑成型植入物的浸提液中培養(yǎng)后，細(xì)胞存活率均在90%以上，CCK-8染色結(jié)果和形態(tài)學(xué)觀察結(jié)果一致，表明：PEEK原材料和注塑成型植入物對細(xì)胞均無毒害作用。

表面細(xì)胞粘附性能是骨植入物重要的評價指標(biāo)，而材料表面的親水性又對該性能具有極大的影響。接觸角是表征材料表面親水性的一種簡單有效的方法。如表3所示，測得PEEK注塑件的平均接觸角為59.8°，而親水性與疏水性的接觸角界限為90°，因此PEEK注塑件具有良好的親水性，這將為細(xì)胞粘附提供有利條件，在一定程度上證明了PEEK注塑件植入物具有良好的生物相容性。

表3 PEEK注塑件接觸角測量結(jié)果

4 個性化PEEK下頜骨植入物臨床應(yīng)用

4.1 患者病情及手術(shù)方案

患者女性，26歲，首診首治。圖10是患者的頭部CT圖像，病人患有重度“半側(cè)顏面短小綜合征”，自幼面部發(fā)育不良，一側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)先天性缺失，另一側(cè)畸形生長，嚴(yán)重影響其正常容貌及進(jìn)食、語言等生理功能。

圖10 患者頭部CT圖像及三維重建模型

醫(yī)生和作者課題組聯(lián)合討論后確定治療方案：上頜骨高位Le Fort I型截骨、左側(cè)下頜骨矢狀劈開術(shù)、右側(cè)顳頜關(guān)節(jié)置換術(shù)。計劃采用數(shù)字化正頜外科技術(shù)聯(lián)合個體化PEEK全顳下頜關(guān)節(jié)重建的方法，精確恢復(fù)患者頜骨完整性，重建正常面容和咬合功能。

將患者的頭部CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中重建，進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬分析，確定截骨線的位置和牽引向量以及擬牽引長度，并制作手術(shù)導(dǎo)板。先對上頜骨進(jìn)行Le FortⅠ型截骨，然后將上頜骨旋轉(zhuǎn)、下降，通過預(yù)先設(shè)計制備的3D打印手術(shù)導(dǎo)板定位骨骼的擺放位置和距離，用鈦合金接骨板固定上下頜的骨骼，然后進(jìn)行PEEK假體的植入。正頜手術(shù)方案及效果模擬圖如圖11所示。

圖11 正頜手術(shù)方案(a)及效果(b)模擬圖

4.2 個性化PEEK顳下頜關(guān)節(jié)設(shè)計與制造

根據(jù)醫(yī)生的手術(shù)方案，將病變部分骨骼切除，然后利用頜面骨骼先天自然對稱原則，參照左側(cè)下頜骨原始數(shù)據(jù)，通過鏡像、布爾運算等命令，設(shè)計制作出右側(cè)下頜骨假體初步模型。對髁突部分的設(shè)計，根據(jù)醫(yī)生要求進(jìn)行降低高度和等比例縮小體積的處理。圖12所示為下頜骨假體(黑色部分)透視圖。

圖12 下頜骨假體(黑色部分)透視圖

顳下頜關(guān)節(jié)控制人的張口和閉口運動，由肌肉和重力綜合驅(qū)動髁突在關(guān)節(jié)窩內(nèi)旋轉(zhuǎn)和滑移。顳骨關(guān)節(jié)面的凹部為關(guān)節(jié)窩，容納髁突，下頜骨髁突略呈橢圓形。關(guān)節(jié)窩比髁突大得多，這使髁突運動時非常靈活，能在較大的窩內(nèi)做回旋運動，這對咀嚼運動有重要意義。關(guān)節(jié)窩假體是為了固定下頜骨假體的位置，防止下頜骨假體在咬合過程中錯位，偏離預(yù)定的運動軌道。圖13是關(guān)節(jié)窩假體的設(shè)計效果圖。最終的全顳下頜關(guān)節(jié)整體原位假體設(shè)計效果圖如圖14所示。

圖13 病變側(cè)關(guān)節(jié)窩假體設(shè)計效果圖

圖14 全顳下頜關(guān)節(jié)整體原位假體設(shè)計效果圖

下頜骨假體的模芯設(shè)計采用最大輪廓線分型法，關(guān)節(jié)窩假體的模芯設(shè)計采用局部破壞模芯分型法。采用光固化3D打印成型的樹脂模芯，選擇合適的注塑工藝參數(shù)注塑得到個性化PEEK顳下頜關(guān)節(jié)假體(圖15)，并進(jìn)行后處理。對二者進(jìn)行打孔，與采用熔融沉積成型技術(shù)3D打印制造的頭顱模型進(jìn)行組裝，如圖16所示。

圖15 注塑成型的PEEK顳下頜關(guān)節(jié)假體：(a)PEEK下頜骨假體，(b)PEEK關(guān)節(jié)窩假體

4.3 個性化PEEK顳下頜關(guān)節(jié)植入手術(shù)

術(shù)前，對PEEK假體進(jìn)行3次無水乙醇超聲波清洗和1次超純水超聲波清洗，密封高溫滅菌；患者進(jìn)行全口潔牙，并給予漱口水含漱，術(shù)前一日預(yù)行頜間牽引用牙弓夾板結(jié)扎，同時經(jīng)鼻留置鼻飼胃管。

手術(shù)采用常規(guī)頜下切口，沿線切開皮膚、皮下及頸闊肌，于頜下腺上緣、下頜下緣下分離出面動脈及面前靜脈，分別結(jié)扎并切斷之。依據(jù)術(shù)前設(shè)計，用高速搖擺鋸切斷上頜骨和左側(cè)下頜骨，用高速磨頭修整骨斷端，使之達(dá)到良好密合。按術(shù)前設(shè)計先后安裝關(guān)節(jié)窩假體和下頜骨假體，并于PEEK假體螺孔處用高速鉆對骨骼進(jìn)行鉆孔，用鈦釘將假體固定于骨骼上。用絲線縫合兩側(cè)肌肉，經(jīng)PEEK假體上預(yù)留孔縫扎于PEEK下頜骨假體表面，消除PEEK下頜骨假體兩側(cè)死腔。對位縫合下頜骨殘余骨膜、頸闊肌、皮下及皮膚。圖17為個性化PEEK顳下頜關(guān)節(jié)植入手術(shù)現(xiàn)場。

圖17 PEEK顳下頜關(guān)節(jié)假體植入手術(shù)現(xiàn)場照片：(a)PEEK關(guān)節(jié)窩假體安裝，(b)PEEK下頜骨假體安裝

4.4 治療效果

個體化PEEK顳下頜關(guān)節(jié)假體被準(zhǔn)確地植入到預(yù)設(shè)位置，整個手術(shù)一次性解決了患者下頜骨短小、關(guān)節(jié)缺失、咬合紊亂、張口偏斜、軟組織不對稱的問題，該病例一次手術(shù)實現(xiàn)了原來需要多次手術(shù)或多個術(shù)區(qū)手術(shù)才能達(dá)到的效果。

患者術(shù)后傷口愈合良好無感染，面型明顯改善，張口度與咬合關(guān)系均正常。術(shù)后CT顯示，顳下頜關(guān)節(jié)被精確重建，頜骨位置與術(shù)前設(shè)計匹配度好，平均位置誤差約為1.1 mm。患者術(shù)后各項血液檢查指標(biāo)均正常，患者對手術(shù)效果主觀滿意度高。

5 結(jié) 論

(1)對PEEK下頜骨植入物裝配的實驗評估結(jié)果顯示，PEEK下頜骨假體的設(shè)計厚度應(yīng)不低于2 mm；3 mm及以上厚度的PEEK殼狀樣件剛性較高，不易變形。

(2)體外細(xì)胞毒性實驗結(jié)果表明，該工藝方案所使用的PEEK原材料和PEEK注塑成型假體對細(xì)胞無毒害作用，而且在整個工藝過程中沒有引入新的有毒物質(zhì)。

(3)PEEK注塑件接觸角測試結(jié)果表明，材料具有良好的親水性，表面細(xì)胞粘附性能優(yōu)異。

(4)3D打印技術(shù)結(jié)合注塑工藝可以精確制造個性化PEEK顳下頜關(guān)節(jié)假體，結(jié)合數(shù)字化正頜外科技術(shù)，可通過一次手術(shù)實現(xiàn)顳下頜關(guān)節(jié)重建、下頜骨缺損修復(fù)和偏頜畸形的精確矯正，手術(shù)效果好、手術(shù)安全、患者滿意度高，是治療重度“半側(cè)顏面短小綜合征”的有效方法。